Nghiên cứu khoa học cấp trường: Xử lý bùn đỏ hiệu quả với phương pháp tạo geopolyme

Chuyên khảo phân tích Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường xử lý bùn đỏ bằng phương pháp tạo geopolyme, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Vũ Uyên Nhi
• Người hướng dẫn: Th.S. Nguyễn Vũ Uyên Nhi
• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Xử Lý Bùn Đỏ Bằng Phương Pháp Tạo Geopolymer Cấp Trường
• Loại tài liệu: Đề Tài Nghiên Cứu
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Các phương pháp xử lý bùn đỏ trên thế giới
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Xử lý bùn đỏ theo phương pháp tạo Geopolymer
• 2. CHƯƠNG II: GEOPOLYMER
• 2.1. Định nghĩa và phân loại
• 2.2. Cơ chế tạo geopolymer
• 2.2.1. Hòa tan Si2+ và Al3+ từ vật liệu aluminosilicat rắn trong dung dịch kiềm mạnh
• 2.2.2. Tạo thành chuỗi cơ sở (oligomer) Si-O-Si hoặc Si-O-Al trong pha nước
• 2.2.3. Quá trình đa trùng ngưng các oligomer tạo thành khung mạng aluminosilicat 3 chiều
• 2.2.4. Tạo liên kết giữa các phẩn tử rắn thành khung geopolymer và đóng rắn trong toàn hệ thống hình thành cấu trúc polymer rắn
• 2.3. Cơ chế polymer hóa các chất vô cơ và cơ sở tạo ra các chất kết dính vô cơ
• 2.4. Tính chất và ứng dụng của geopolymer
• 3. CHƯƠNG III: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 3.1. Bùn đỏ
• 3.1.1. Nguồn gốc bùn đỏ
• 3.1.2. Sự tạo thành bùn đỏ
• 3.1.3. Quy trình chuẩn bị nguyên liệu bùn đỏ
• 3.2. Tràng thạch
• 3.3. NaOH
• 3.4. Tro bay

Tóm tắt

I. Tổng quan về bùn đỏ và phương pháp xử lý

Bùn đỏ là chất thải rắn từ quá trình khai thác boxit và sản xuất oxit nhôm theo phương pháp Bayer. Xử lý bùn đỏ là vấn đề cấp thiết do tác động môi trường như ô nhiễm nguồn nước, phát tán bụi và lãng phí tài nguyên. Các phương pháp xử lý hiện tại bao gồm tồn trữ, sử dụng làm lớp phủ, keo tụ, và tái chế trong công nghiệp xây dựng. Tuy nhiên, chưa có phương pháp nào xử lý triệt để. Geopolymer được đề xuất như một giải pháp mới, tận dụng lượng NaOH dư trong bùn đỏ để tạo vật liệu có giá trị kinh tế.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu về xử lý bùn đỏ đã được thực hiện rộng rãi. Các phương pháp như tồn trữ, sử dụng làm vật liệu xây dựng, và keo tụ đã được áp dụng. Tuy nhiên, các phương pháp này chưa giải quyết triệt để vấn đề môi trường. Geopolymer được xem là hướng đi mới, tận dụng bùn đỏ để tạo vật liệu composite có tính ứng dụng cao.

1.2. Phương pháp tạo geopolymer từ bùn đỏ

Geopolymer là vật liệu composite được tạo từ các khoáng aluminosilicat trong môi trường kiềm. Bùn đỏ chứa Al2O3 và SiO2, nhưng hàm lượng SiO2 thấp. Để tăng khả năng geopolymer hóa, cần bổ sung SiO2 hoạt tính từ các nguồn như cao lanh, tro bay, hoặc xỉ luyện kim. Phương pháp này hứa hẹn xử lý triệt để bùn đỏ và tạo ra vật liệu có giá trị kinh tế.

II. Cơ chế và quy trình tạo geopolymer

Geopolymer được hình thành từ phản ứng hóa học giữa vật liệu aluminosilicat và dung dịch kiềm mạnh. Quá trình này bao gồm bốn giai đoạn: hòa tan Si và Al, tạo chuỗi oligomer, đa trùng ngưng, và đóng rắn. Phương pháp geopolymer tận dụng các chất thải công nghiệp như bùn đỏ, tro bay để tạo vật liệu có tính chất cơ lý tốt, chịu nhiệt và chịu lửa.

2.1. Cơ chế hòa tan và tạo chuỗi oligomer

Trong môi trường kiềm, các ion Si và Al được hòa tan từ vật liệu aluminosilicat. Các chuỗi oligomer Si-O-Si và Si-O-Al được hình thành trong pha nước, tạo tiền chất cho quá trình đa trùng ngưng. Đây là bước quan trọng trong tạo geopolymer.

2.2. Quá trình đa trùng ngưng và đóng rắn

Các oligomer trải qua quá trình đa trùng ngưng để hình thành khung mạng aluminosilicat ba chiều. Sau đó, khung mạng này liên kết với các phần tử rắn và đóng rắn, tạo thành vật liệu geopolymer có độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt.

III. Ứng dụng và giá trị của geopolymer

Geopolymer có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, từ vật liệu xây dựng đến chế tạo vật liệu chịu lửa. Vật liệu này có độ bền nén cao, độ thấm nước thấp, và khả năng chịu nhiệt tốt. Geopolymer cấp trường được xem là giải pháp bền vững để xử lý chất thải công nghiệp như bùn đỏ, giảm thiểu tác động môi trường và tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế.

3.1. Ứng dụng trong công nghiệp xây dựng

Geopolymer có thể thay thế xi măng truyền thống, giảm lượng CO2 thải ra trong quá trình sản xuất. Vật liệu này được sử dụng để sản xuất gạch, bê tông, và các sản phẩm chịu lửa, mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường.

3.2. Giá trị môi trường và kinh tế

Xử lý bùn đỏ bằng phương pháp geopolymer không chỉ giải quyết vấn đề môi trường mà còn tạo ra vật liệu có giá trị kinh tế. Phương pháp này giảm thiểu lượng chất thải công nghiệp, tận dụng tài nguyên và góp phần bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bùn đỏ là chất thải rắn phát sinh từ quá trình khai thác boxit và chế tạo oxit nhôm theo phương pháp Bayer, với lượng thải ước tính lên đến 10 triệu tấn mỗi năm tại Tây Nguyên vào năm 2015, và dự kiến tích tụ khoảng 1,15 tỷ tấn trong vòng 50 năm tới. Mặc dù không phải là chất thải nguy hại, bùn đỏ gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng như ô nhiễm nguồn nước ngầm, phát tán bụi và chiếm dụng diện tích lớn để chứa. Việc xử lý bùn đỏ không chỉ nhằm giảm thiểu tác động môi trường mà còn hướng tới tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế từ chất thải này.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng phương pháp tạo geopolymer để xử lý bùn đỏ, tận dụng hàm lượng NaOH dư, Al2O3 và SiO2 có trong bùn đỏ, đồng thời bổ sung thêm SiO2 hoạt tính từ các nguyên liệu như tràng thạch, tro bay nhằm tăng cường khả năng geopolymer hóa. Phạm vi nghiên cứu bao gồm bùn đỏ lấy từ nhà máy hóa chất Tân Bình, kết hợp với các phụ gia bổ sung, thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và thời gian bảo dưỡng khác nhau để đánh giá tính chất cơ lý và cấu trúc sản phẩm.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý bùn đỏ hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo ra vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường, góp phần giảm phát thải CO2 so với sản xuất xi măng truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Phương pháp xử lý bùn đỏ dựa trên khái niệm geopolymer – một họ các liên kết aluminosilicat kiềm được hình thành từ phản ứng hóa học giữa vật liệu rắn chứa Si và Al với dung dịch kiềm mạnh (NaOH hoặc KOH) và silicat kiềm. Quá trình geopolymer hóa gồm bốn giai đoạn chính: hòa tan Si2+ và Al3+ từ nguyên liệu aluminosilicat, tạo thành chuỗi oligomer Si-O-Si và Si-O-Al trong pha nước, đa trùng ngưng các oligomer tạo khung mạng ba chiều aluminosilicat, và cuối cùng là tạo liên kết giữa các phân tử rắn thành cấu trúc polymer rắn.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Geopolymer: vật liệu composite aluminosilicat tổng hợp từ nguyên liệu rắn chứa Si và Al bằng hoạt chất kiềm.
• Phản ứng geopolymer hóa: phản ứng tỏa nhiệt, xảy ra ở nhiệt độ dưới 100°C và áp suất khí quyển.
• Tỉ lệ mol Si : Al: ảnh hưởng đến cấu trúc mạng và tính chất vật liệu, ví dụ tỉ lệ 1:1 tạo mạng 3D, 3:1 tạo mạng liên kết ngang 2D.
• Nguyên liệu bổ sung SiO2 hoạt tính: tràng thạch, tro bay, cao lanh, giúp tăng khả năng geopolymer hóa do hàm lượng SiO2 trong bùn đỏ thấp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là bùn đỏ lấy từ nhà máy hóa chất Tân Bình, kết hợp với các nguyên liệu bổ sung như tràng thạch và tro bay. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Chuẩn bị mẫu: phối liệu bùn đỏ với tràng thạch hoặc tro bay theo các tỉ lệ khác nhau, sử dụng NaOH và thủy tinh lỏng (natri silicat) để tạo môi trường kiềm.
• Phân tích thành phần hóa học và khoáng vật: sử dụng phổ hồng ngoại (IR), nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định các liên kết và pha khoáng trong nguyên liệu và sản phẩm.
• Quan sát cấu trúc bề mặt: kính hiển vi điện tử quét (SEM) để đánh giá cấu trúc vật liệu, lỗ rỗng và pha tinh thể.
• Đánh giá tính chất cơ lý: đo cường độ uốn, cường độ nén và độ hút nước của mẫu sau các thời gian bảo dưỡng khác nhau (3, 7, 28 ngày).
• Timeline nghiên cứu: thực hiện thí nghiệm và phân tích trong khoảng thời gian bảo dưỡng từ 0 đến 28 ngày, với điều kiện nhiệt độ thủy nhiệt 140°C hoặc điều kiện thường.

Cỡ mẫu được lựa chọn phù hợp với từng thí nghiệm, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp phân tích được chọn nhằm đánh giá toàn diện từ cấu trúc hóa học đến tính chất cơ lý của vật liệu geopolymer tạo thành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần hóa học và khoáng vật: Bùn đỏ chứa 8,37% SiO2, 29,91% Al2O3, 41,32% Fe2O3 và 3,57% Na2O, trong khi tràng thạch có 65,65% SiO2 và 18,90% Al2O3, tro bay chứa 46,77% SiO2 và 27,79% Al2O3. Phân tích XRD cho thấy sự hiện diện của các khoáng như hematite, gibbsite, quartz và mullite trong nguyên liệu và sản phẩm.

2. Cường độ cơ lý: Hệ bùn đỏ - tro bay đạt cường độ uốn và nén trên 7 MPa sau 28 ngày bảo dưỡng, với mẫu F (tỉ lệ tro bay : bùn đỏ : thủy tinh lỏng = 3:1:0.5) có cường độ uốn cao nhất. Cường độ tăng theo thời gian bảo dưỡng, khác biệt rõ so với vật liệu vô cơ truyền thống. Hệ bùn đỏ - tràng thạch có cường độ thấp hơn, không đạt mục tiêu đề ra.

3. Ảnh hưởng của tỉ lệ Na/Si và thời gian thủy nhiệt: Tỉ lệ Na/Si thấp hơn (khoảng 0,41) giúp tăng cường độ uốn và nén. Thời gian thủy nhiệt 4 giờ ở 140°C cho cường độ nén cao nhất, trong khi thời gian dài hơn làm giảm cường độ uốn. Độ hút nước của mẫu dao động từ 10,42% đến 13,90%, không có hiện tượng phân rã khi ngâm nước.

4. Phân tích cấu trúc: Phổ IR và XRD xác nhận sự hình thành các liên kết Si-O-Si, Si-O-Al, Si-O-Fe và các oligomer cơ sở của geopolymer. SEM cho thấy mẫu thủy nhiệt có pha thủy tinh nhiều hơn, lỗ rỗng giảm, cấu trúc liên kết chặt chẽ hơn so với mẫu không thủy nhiệt.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp tạo geopolymer từ bùn đỏ kết hợp với phụ gia tro bay hoặc tràng thạch là khả thi, tận dụng được lượng NaOH dư trong bùn đỏ và bổ sung SiO2 hoạt tính để tăng cường phản ứng geopolymer hóa. Cường độ cơ lý tăng theo thời gian bảo dưỡng chứng tỏ quá trình geopolymer hóa diễn ra hiệu quả, tạo ra vật liệu có tính cơ học tốt, phù hợp làm vật liệu xây dựng không nung.

So sánh với các nghiên cứu khác, việc sử dụng tro bay làm phụ gia cho hiệu quả cao hơn tràng thạch do hàm lượng SiO2 hoạt tính và kích thước hạt phù hợp hơn. Việc không cần bổ sung nhiều xút dư tránh được hiện tượng phụt xút, phồng xốp, giúp sản phẩm ổn định hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ uốn và nén theo thời gian bảo dưỡng, bảng thành phần hóa học và khoáng vật, cũng như ảnh SEM minh họa cấu trúc vật liệu, giúp trực quan hóa quá trình hình thành geopolymer.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu tỉ lệ phối liệu: Khuyến nghị sử dụng tỉ lệ tro bay : bùn đỏ : thủy tinh lỏng khoảng 3:1:0.5 và tỉ lệ Na/Si khoảng 0,41 để đạt cường độ cơ lý tối ưu, áp dụng trong vòng 28 ngày bảo dưỡng.

2. Kiểm soát điều kiện bảo dưỡng: Áp dụng phương pháp bảo dưỡng ở nhiệt độ thường hoặc thủy nhiệt 140°C trong 4 giờ để tăng cường độ nén, tránh thời gian thủy nhiệt quá dài gây giảm cường độ uốn.

3. Ứng dụng sản phẩm: Phát triển vật liệu xây dựng không nung như gạch, ngói từ geopolymer bùn đỏ, giảm chi phí sản xuất và phát thải CO2, phù hợp với các công trình xây dựng thân thiện môi trường.

4. Mở rộng nghiên cứu nguyên liệu bổ sung: Khuyến khích nghiên cứu thêm các nguồn SiO2 hoạt tính khác như cao lanh, tro trấu để đa dạng hóa nguyên liệu và nâng cao hiệu quả geopolymer hóa.

5. Chủ thể thực hiện: Các nhà máy sản xuất alumin, các viện nghiên cứu vật liệu xây dựng và các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng nên phối hợp triển khai nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này trong vòng 3-5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu vật liệu xây dựng: Nghiên cứu cơ chế geopolymer hóa, phát triển vật liệu mới từ chất thải công nghiệp, ứng dụng trong xây dựng bền vững.

2. Doanh nghiệp sản xuất alumin và xử lý chất thải: Tìm kiếm giải pháp xử lý bùn đỏ hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm và tận dụng chất thải làm nguyên liệu sản xuất.

3. Cơ quan quản lý môi trường và quy hoạch công nghiệp: Đánh giá các phương pháp xử lý bùn đỏ, xây dựng chính sách khuyến khích tái sử dụng chất thải công nghiệp.

4. Các nhà sản xuất vật liệu xây dựng không nung: Áp dụng công nghệ geopolymer để sản xuất gạch, ngói thân thiện môi trường, giảm chi phí và phát thải.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp geopolymer hóa có ưu điểm gì so với xử lý bùn đỏ truyền thống?
   Phương pháp này tận dụng lượng NaOH dư trong bùn đỏ, giảm diện tích chứa chất thải, tạo ra vật liệu xây dựng có cường độ cao, đồng thời giảm phát thải CO2 so với xi măng truyền thống.

2. Nguyên liệu bổ sung nào hiệu quả nhất để tăng khả năng geopolymer hóa?
   Tro bay được đánh giá cao nhờ hàm lượng SiO2 hoạt tính lớn và kích thước hạt phù hợp, giúp tăng cường độ uốn và nén của sản phẩm geopolymer.

3. Thời gian và điều kiện bảo dưỡng ảnh hưởng thế nào đến chất lượng sản phẩm?
   Cường độ cơ lý tăng theo thời gian bảo dưỡng, với thời gian thủy nhiệt 4 giờ ở 140°C là tối ưu; thời gian dài hơn có thể làm giảm cường độ uốn do hiện tượng phụt xút.

4. Sản phẩm geopolymer từ bùn đỏ có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
   Có thể dùng làm vật liệu xây dựng không nung như gạch, ngói, vật liệu chịu nhiệt, chịu lửa, và các ứng dụng công nghiệp khác thay thế xi măng truyền thống.

5. Có cần bổ sung thêm xút trong phối liệu không?
   Nghiên cứu cho thấy không cần bổ sung nhiều xút, chỉ cần sử dụng thủy tinh lỏng với tỉ lệ thích hợp để tạo môi trường kiềm, tránh hiện tượng phụt xút và phồng xốp.

Kết luận

• Đã xác định được phương pháp tạo geopolymer từ bùn đỏ kết hợp với phụ gia tro bay và tràng thạch là khả thi, tận dụng được lượng NaOH dư và bổ sung SiO2 hoạt tính.
• Cường độ uốn và nén của hệ bùn đỏ - tro bay đạt trên 7 MPa, phù hợp làm vật liệu xây dựng không nung, với cường độ tăng theo thời gian bảo dưỡng.
• Phân tích IR, XRD và SEM chứng minh sự hình thành các liên kết geopolymer và cấu trúc mạng aluminosilicat ba chiều.
• Phương pháp này góp phần giảm diện tích chứa bùn đỏ, giảm phát thải CO2 và tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng nguyên liệu bổ sung và ứng dụng công nghệ trong sản xuất công nghiệp trong vòng 3-5 năm tới.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu xây dựng và xử lý chất thải nên phối hợp triển khai ứng dụng công nghệ geopolymer để xử lý bùn đỏ, góp phần phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: TỔNG QUAN 1.Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: 1.1 Tổng quan tình hình xử lý bùn đỏ Bùn đỏ là chất thải rắn của quá trình khai thác boxít và chế tạo oxit nhôm theo phương pháp Bayer. Dưới góc độ môi trường thì bùn đỏ là vấn đề cần được đặc biệt quan tâm vì nó là một hỗn hợp bao gồm :sắt , nhôm, mangan… và một hàm lượng xút dư (do quá trình dung hòa và tách quặng alumin theo phương pháp Bayer). Mặc dù bùn đỏ không phải là chất thải nguy hại nhưng do kích thước hạt rất mịn nên phải mất diện tích rất lớn để chứa nó. Đi kèm với đó là khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, phát tán bụi ra môi trường xung quanh và lãng phí tài nguyên.

Vì vậy xử lý bùn đỏ là vấn đề cần thiết. Xử lý bùn đỏ ngoài mục tiêu giải quyết vần đề môi trường mà còn tạo ra những sản phẩm có giá trị kinh tế từ chất thải rắn. Với quy hoạch phát triển boxit ở Tây Nguyên đến năm 2015, mỗi năm sản xuất ra khoảng 7 triệu tấn alumin tương đương với việc thải ra môi trường 10 triệu tấn bùn đỏ. Đến năm 2015 là 15 triệu tấn alumin tương đương với 23 tấn bùn đỏ…đến 50 năm sau, sẽ có 1,15 tỷ bùn đỏ tồn đọng ở Tây Nguyên.

Vấn đề được đặt ra là các giải pháp về kỹ thuật (hồ chứa lót vải địa kỹ thuật) có thể đảm bảo giữ được bùn đỏ không thấm xuống đất, không hòa vào nước ngầm. Mội biến động về kỹ thuật, địa chất (vỡ đập ngăn, lũ quét…) đều có thể để lại hậu quả khôn lường cho các vùng dân cư tại hạ lưu các sông Đồng Nai và Seperok. Các vấn đề về môi trường: thiếu nước- chế biến alumin đòi hỏi một lượng nước lớn. Tài nguyên nước mặt và nước ngầm ở Tây Nguyên rất hạn chế, giảm tỉ lệ che phủ rừng và đa dạng sinh học, ô nhiễm bụi, không khí.

Xử lý bùn đỏ là một việc mang tính cấp thiết 1.2 Các phương pháp xử lý bùn đỏ trên thế giới  Tồn trữ: trung hoà kiềm rồi đưa vào các kho bãi. Diện tích chứa trở nên rất lớn đang là vấn đề khó giải quyết [1,6]  Dùng làm lớp phủ bề mặt cho cho các vật liệu ceramic và kim loại [3,4]  Sử dụng bùn đỏ làm chất keo tụ, lọc nước [13] Thải bỏ tự do: dùng nước biển trung hoà rồi thải xuống sông, biển, nhưng phương pháp này hiện nay đã bị cấm.  Tái sử dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: nung kết làm vật liệu xậy dựng, dùng với vôi làm gạch, dùng làm xi măng [1,2,5] CNĐT : Th.S NGUYỄN VŨ UYÊN NHI Page 1 XỬ LÝ BÙN ĐỎ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TẠO GEOPOLYMER  Dùng trong công công nghệ gốm sứ: dùng làm phụ gia trong sản xuất bột màu vô cơ, dùng làm phụ gia cải thiện màu sắc cho gạch [1,11]  Sử dụng để san lấp nền đất.3 Tình hình nghiên cứu trong nước:  Xử lý bùn đỏ theo phương pháp tồn trữ và thải bỏ: đây là phương pháp đang được sử dụng ở nhà máy hóa chất Tân Bình. Nhược điểm rất lớn của phương pháp này là diện tích sử dụng để tồn trữ bùn đỏ rất lớn.

 Xử lý bùn đỏ để làm chất hấp phụ asenic và các kim loại nặng khác. Phương pháp này không xử lý triệt để hàm lượng chất thải bùn đỏ 1.4 Xử lý bùn đỏ theo phương pháp tạo Geopolymer  Geopolymer là khái niệm dùng để chỉ họ các liên kết aluminosilicat kiềm được hình thành từ hoạt tính kiềm của các khoáng aluminosilicat. Phản ứng tổng hợp geopolymer có thể xảy ra ở điều kiện nhiệt độ áp suất thường hoặc gia nhiệt.  Geopolymer là một loại vật liệu composite, là họ mới của vật liệu aluminosilicat tổng hợp từ nguyên liệu rắn chứa alumosilicat bằng các hoạt chất kiềm.

 Bùn đỏ chứa hàm lượng NaOH dư chiếm từ 3-8%, Al2O3 : 18 -22%, SiO2: 8-10% và đặc biệt là cỡ hạt khoảng 400µm. Do vậy, có thể sử dụng bùn đỏ để làm nguyên liệu cho phản ứng geopolymer hóa.  Tuy nhiên, hàm lượng SiO2 trong bùn đỏ thấp. Al2O3 và SiO2 tồn tại độc lập.

Do đó, hướng nghiên cứu của đề tài là bổ sung thêm vào SiO2 hoạt tính đê tăng khả năng geopolymer hóa của bùn đỏ. Các loại nguyên liệu có thể sử dụng để bổ sung SiO2 hoạt tính gồm : aluminoosilicat rắn, các khoáng công nghệp như: cao lanh, tràng thạch, tro bay, xỉ luyện kim, diatomite…  Bùn đỏ đã được nghiên cứu xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng chưa có phương pháp nào có khả năng xử lý triệt để bùn đỏ. Trong nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn hướng xử lý bùn đỏ theo phương pháp geopolymer hóa với một số loại phụ gia như diatomite, tro trấu…. Đây là hướng nghiên cứu xử lý bùn đỏ mới ở Việt Nam cũng như trên thế giới.

 Xử lý bùn đỏ theo hướng tạo geopolymer tận dụng được lượng NaOH có sẵn trong bùn đỏ và sử dụng được một khối lượng lớn bùn đỏ. Đây là biện pháp được hy vọng sẽ xử lý triệt để lượng chất thải bùn đỏ.S NGUYỄN VŨ UYÊN NHI Page 2 XỬ LÝ BÙN ĐỎ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TẠO GEOPOLYMER Chương II: GEOPOLYMER 1. Định nghĩa và phân loại: Khái niệm “geopolymer” (polymer hóa đất) được dùng để diễn tả họ các liên kết aluminosilicat kiềm được hình thành từ hoạt tính của các khoáng aluminosilicat. Sự tạo thành geopolymer là kết quả của phản ứng hóa học phức tạp không đồng nhất giữa vật liệu rắn Si – Al và dung dịch silicat kiềm mạnh.

Phản ứng tạo geopolymer là phản ứng tỏa nhiệt và xảy ra dưới áp suất không khí ở nhiệt độ dưới 100oC. Cơ chế tạo geopolymer được đề xuất nhiều nhất gồm 4 giai đoạn, các quá trình này diễn ra song song và không thể phân biệt được:  Hòa tan Si và Al từ vật liệu aluminosilicat rắn trong dung dịch kiềm mạnh.  Tạo thành chuỗi cơ sở (oligomer) Si – O – Si hoặc Si – O – Al trong pha nước.  Quá trình đa trùng ngưng các oligomer tạo thành khung mạng aluminosilicat 3 chiều.

 Tạo liên kết giữa các phân tử rắn thành khung geopolymer và đóng rắn trong hệ thống hình thành cấu trúc polymer rắn.  Một số khung mạng có thể tạo thành: Hình: Một số dạng khung mạng. Geopolymer là họ mới của vật liệu aluminosilicat tổng hợp từ nguyên liệu rắn chứa aluminosilicat bằng hoạt chất kiềm. Khái niệm hoạt chất kiềm được hiểu là sự hòa tan nguyên liệu aluminosilicat trong môi trường kiềm mạnh được tạo ra từ dung dịch hydroxit natri hoặc hydroxit kali với nước.

Geopolymer phụ thuộc vào họ của polymer vô cơ, liên kết thành phân tử lớn bằng liên kết cộng hóa trị và có mạch chính là – Si – O – M – O – , M được hiểu chủ yếu là nhôm (Al), thứ yếu là sắt (Fe). Sự khác nhau giữa geopolymer và các polymer vô cơ khác là do các dạng của tiền chất silic và nhôm dùng để tổng hợp nên chúng. Polymer vô cơ thông thường được tạo thành bằng phương pháp sol-gel, sử dụng silic và alkoxide nhôm trong dung dịch CNĐT : Th.S NGUYỄN VŨ UYÊN NHI Page 3 XỬ LÝ BÙN ĐỎ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TẠO GEOPOLYMER rượu và nước như là tiền chất. Geopolymer thì lại được tạo thành bằng hoạt chất kiềm của nguyên liệu aluminosilicat rắn trong dung dịch kiềm mạnh của natri hydroxit hoặc kali silicat và natri hydroxit hoặc kali hyroxit.

Tiền chất Si là natri silicat, kali silicat và nguyên liệu aluminoslicat bị hòa tan. Trong khi đó, trường hợp này tiền chất Al là chỉ do nguyên liệu aluminosilicat hòa tan, mặc dù trong một số trường hợp dung dịch hoạt tính có lẫn tạp chất là cation Al. Hệ geopolymer đã thu hút rất nhiều nhà khoa học tham gia nghiên cứu trong thời gian qua. Có nhiều loại aluminosilicat khác nhau có thể dùng để tổng hợp geopolymer.

Bao gồm các nguyên liệu aluminosilicat rắn, khoáng công nghiệp như cao lanh, tràng thạch, bentonit, peclit,.; chất thải rắn công nghiệp như tro bay, bùn đỏ, quặng từ việc khai thác bentonit, peclit, xỉ luyện kim, xà gỗ,…Hiện nay nhóm nguyên liệu này được coi là tiềm năng chủ yếu dựa vào lý do môi trường. Hiện nay trên thế giới khuyến khích khôi phục và tái sử dụng chất thải công nghiệp nhằm bảo tồn thiên nhiên và bảo vệ sức khỏe con người. Kỹ thuật tạo geopolymer sử dụng chất thải công nghiệp rắn có chứa aluminosilicat như là một nguyên liệu để sản xuất vật liệu có thể thay thế cho vật liệu xây dựng truyền thống với những tính chất cơ lý và tính chất nhiệt tương thích. [5, 6, 7] Dựa trên tỉ lệ mol và đặc tính tạo geopolymer mà người ta có thể phân chia như sau: Bảng: Mối quan hệ giữa tỉ lệ Si : Al và khung mạng hình thành.

Tỉ lệ mol Si : Al 1:1 2:1 3:1 > 3:1 Đặc tính của geopolymer Mạng 3D Liên kết ngang 2D 2. Cơ chế tạo geopolymer: 2.1 Hòa tan Si2+ và Al3+ từ vật liệu aluminosilicat rắn trong dung dịch kiềm mạnh: Trong dung dịch nước bề mặt ion kim loại của các oxit aluminosilicat có thể phối hợp với phân tử nước và được hydro hóa các vị trí bề mặt này tạo thành các nhóm silanol (>Si-OH) và aluminol (>Al-OH). Các nhóm này bao gồm các vị trí bề mặt hoạt tính, nơi mà ion hydroxit của dung dịch kiềm tác dụng hóa học tạo thành các hình thái bề mặt hóa học. Dưới một cơ chế phức tạp, ion silic và nhôm được giải phóng ra khỏi các hình thái bề mặt vào trong dung dịch.

Sự hòa tan Si2+ và Al3+ từ nguyên liệu ban đầu được mô tả bởi phương trình hóa học (1*): (SiO2, Al2O3) + 2MOH + 5H2O – > Si(OH)2 + 2Al(OH) + 2M+ Trong đó: M là Na hoặc K. Trong dung dịch nước, sự hòa tan hóa học của các khoáng chứa Si và Al và các khoáng thông thường khác của hợp chất aluminosilicat diễn ra trong khoảng giá trị pH cao, tỉ CNĐT : Th.S NGUYỄN VŨ UYÊN NHI Page 4 XỬ LÝ BÙN ĐỎ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TẠO GEOPOLYMER lệ hòa tan của các vật liệu này tăng khi giá trị pH của dung dịch tăng [4, 5]. Hơn nữa, tỉ lệ hòa tan của vật liệu rắn chứa Si2+, Al3+ còn phụ thuộc vào kích thước và diện tích bề mặt đặc trưng của các phần tử, vì nó liên quan đến phản ứng hóa học không đồng nhất.2 Tạo thành chuỗi cơ sở (oligomer) Si-O-Si hoặc Si-O-Al trong pha nước: Nồng độ Si2+ và Al3+ trong dung dịch tăng dần dần, phản ứng hóa học xảy ra tại liên kết nhóm chức hyroxit.